JP6957823B2 - Sensor chip and force sensor device - Google Patents
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Description
本発明は、センサチップ及び力覚センサ装置に関する。 The present invention relates to a sensor chip and a force sensor device.
従来より、金属からなる起歪体に複数の歪ゲージを貼り付け、外力が印加された際の歪みを電気信号に変換することで多軸の力を検出する力覚センサ装置が知られている。しかし、この力覚センサ装置は、歪ゲージを１枚ずつ手作業によって貼り付ける必要から、精度や生産性に問題があり、構造上小型化することが困難であった。 Conventionally, a force sensor device that detects a multi-axis force by attaching a plurality of strain gauges to a strain-causing body made of metal and converting the strain when an external force is applied into an electric signal has been known. .. However, since it is necessary to manually attach strain gauges one by one to this force sensor device, there are problems in accuracy and productivity, and it is difficult to miniaturize the structure.
一方、歪ゲージを歪み検出用のＭＥＭＳのセンサチップに置き換えることで、貼り合わせ精度の問題を解消し、かつ小型化を実現する力覚センサ装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。 On the other hand, a force sensor device has been proposed that solves the problem of bonding accuracy and realizes miniaturization by replacing the strain gauge with a MEMS sensor chip for strain detection (see, for example, Patent Document 1). ..
ところで、上記の従来のＭＥＭＳのセンサチップを用いた力覚センサ装置では、入力が単軸の場合（６つの軸［Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ，Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚ］の内のいずれか１つの軸に沿った方向の場合）であれば、力覚センサは高い精度を得ることができる。 By the way, in the force sensor device using the above-mentioned conventional MEMS sensor chip, when the input is a single axis (one of the six axes [Fx, Fy, Fz, Mx, My, Mz]). (In the case of the direction along the above), the force sensor can obtain high accuracy.
しかしながら、入力が複合入力の場合（６つの軸［Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ，Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚ］の内のいずれか2つ以上の軸に沿った複合した入力の場合）は、軸分離性が不十分であるために力覚センサの誤差は大きくなり、精度が低下してしまっていた。特に、複合入力の場合は、精度の目標値に満たない複合入力の軸の組み合せが存在する。 However, when the input is a composite input (when the input is a composite input along any two or more of the six axes [Fx, Fy, Fz, Mx, My, Mz]), the axis separability is high. Due to the insufficiency, the error of the force sensor became large and the accuracy was lowered. In particular, in the case of compound input, there is a combination of axes of compound input that does not meet the target value of accuracy.
本発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、センサチップの複合入力に対する軸分離性を向上させセンサ精度を改善することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above points, and an object of the present invention is to improve the axis separability of the sensor chip with respect to the composite input and to improve the sensor accuracy.
本センサチップ（１１０）は、基板と、第１の支持部（１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃ、１１１ｄ）と、周囲に前記第１の支持部が配置され、前記基板の中央に配置された第２の支持部（１１１ｅ）と、隣接する前記第１の支持部同士を連結する第１の検知用梁（１１３ａ、１１３ｄ、１１３ｇ、１１３ｊ）と、前記第１の検知用梁に配置された、力が印加される力点（１１４ａ、１１４ｂ、１１４ｃ、１１４ｄ）と、前記第１の検知用梁の所定位置に配置された複数の歪検出素子と、を有し、前記第１の検知用梁は、直線部（１１３ｎ１）と、連結部により前記直線部に連結される傾斜部（１１３ｎ２、１１３ｎ３）とを有し、複数の前記歪検出素子は、前記連結部より前記傾斜部側に配置されている第１歪検出素子（ＦｚＲ１、ＦｚＲ２）を含むことを要件とする。 The sensor chip (110) has a substrate, first support portions (111a, 111b, 111c, 111d), and a second support portion arranged around the first support portion and arranged in the center of the substrate. The force (force) arranged on the support portion (111e), the first detection beam (113a, 113d, 113g, 113j) connecting the adjacent first support portions to each other, and the first detection beam. It has force points (114a, 114b, 114c, 114d) to be applied and a plurality of strain detection elements arranged at predetermined positions of the first detection beam, and the first detection beam is a straight line. A first portion (113n1) and an inclined portion (113n2, 113n3) connected to the straight portion by a connecting portion, and a plurality of the strain detecting elements are arranged on the inclined portion side of the connecting portion. It is a requirement that one distortion detection element (FzR1, FzR2) is included.
なお、上記括弧内の参照符号は、理解を容易にするために付したものであり、一例にすぎず、図示の態様に限定されるものではない。 The reference numerals in parentheses are provided for easy understanding, and are merely examples, and are not limited to the illustrated modes.
開示の技術によれば、センサチップの複合入力に対する軸分離性を向上させセンサ精度を改善することができる。 According to the disclosed technology, it is possible to improve the axis separability of the sensor chip with respect to the composite input and improve the sensor accuracy.
以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。 Hereinafter, modes for carrying out the invention will be described with reference to the drawings. In each drawing, the same components may be designated by the same reference numerals and duplicate description may be omitted.
（力覚センサ装置１の概略構成）
図１は、第１の実施の形態に係る力覚センサ装置を例示する斜視図である。図２は、第１の実施の形態に係る力覚センサ装置のセンサチップ及び起歪体を例示する斜視図である。図１及び図２を参照するに、力覚センサ装置１は、センサチップ１１０と、起歪体２０と、入出力基板３０とを有している。力覚センサ装置１は、例えば、工作機械等に使用されるロボットの腕や指等に搭載される多軸の力覚センサ装置である。
(Rough configuration of force sensor device 1)
FIG. 1 is a perspective view illustrating the force sensor device according to the first embodiment. FIG. 2 is a perspective view illustrating a sensor chip and a strain-causing body of the force sensor device according to the first embodiment. With reference to FIGS. 1 and 2, the
センサチップ１１０は、所定の軸方向の変位を最大で６軸検知する機能を有している。起歪体２０は、印加された力をセンサチップ１１０に伝達する機能を有している。
The
センサチップ１１０は、起歪体２０の上面側に、起歪体２０から突出しないように接着されている。また、起歪体２０の上面及び各側面に、センサチップ１１０に対して信号の入出力を行う入出力基板３０の一端側が適宜屈曲された状態で接着されている。センサチップ１１０と入出力基板３０の各電極３１とは、ボンディングワイヤ等（図示せず）により、電気的に接続されている。
The
入出力基板３０において、起歪体２０の第１の側面に配置された領域には能動部品３２及び受動部品３９が実装されている。入出力基板３０において、起歪体２０の第２の側面に配置された領域には能動部品３３及び受動部品３９が実装されている。入出力基板３０において、起歪体２０の第３の側面に配置された領域には能動部品３４及び受動部品３９が実装されている。入出力基板３０において、起歪体２０の第４の側面に配置された領域には能動部品３５及び受動部品３９が実装されている。
In the input /
能動部品３３は、例えば、センサチップ１１０から出力されるＸ軸方向の力Ｆｘを検出するブリッジ回路からのアナログの電気信号、及びセンサチップ１１０から出力されるＹ軸方向の力Ｆｙを検出するブリッジ回路からのアナログの電気信号をディジタルの電気信号に変換するＩＣ（ＡＤコンバータ）である。
The
能動部品３４は、例えば、センサチップ１１０から出力されるＺ軸方向の力Ｆｚを検出するブリッジ回路からのアナログの電気信号、及びセンサチップ１１０から出力されるＸ軸を軸として回転させるモーメントＭｘを検出するブリッジ回路からのアナログの電気信号をディジタルの電気信号に変換するＩＣ（ＡＤコンバータ）である。
The
能動部品３５は、例えば、センサチップ１１０から出力されるＹ軸を軸として回転させるモーメントＭｙを検出するブリッジ回路からのアナログの電気信号、及びセンサチップ１１０から出力されるＺ軸を軸として回転させるモーメントＭｚを検出するブリッジ回路からのアナログの電気信号をディジタルの電気信号に変換するＩＣ（ＡＤコンバータ）である。
The
能動部品３２は、例えば、能動部品３３、３４、及び３５から出力されるディジタルの電気信号に対して所定の演算を行い、力Ｆｘ、Ｆｙ、及びＦｚ、並びにモーメントＭｘ、Ｍｙ、及びＭｚを示す信号を生成し、外部に出力するＩＣである。受動部品３９は、能動部品３２〜３５に接続される抵抗やコンデンサ等である。
The
なお、能動部品３２〜３５の機能をいくつのＩＣで実現するかは任意に決定することができる。また、能動部品３２〜３５を入出力基板３０に実装せずに、入出力基板３０と接続される外部回路側に実装する構成とすることも可能である。この場合には、入出力基板３０からアナログの電気信号が出力される。
The number of ICs to realize the functions of the
入出力基板３０は、起歪体２０の第１の側面の下方で外側に屈曲し、入出力基板３０の他端側が外部に引き出されている。入出力基板３０の他端側には、力覚センサ装置１と接続される外部回路（制御装置等）との電気的な入出力が可能な端子（図示せず）が配列されている。
The input /
なお、本実施の形態では、便宜上、力覚センサ装置１において、センサチップ１１０が設けられた側を上側または一方の側、その反対側を下側または他方の側とする。また、各部位のセンサチップ１１０が設けられた側の面を一方の面または上面、その反対側の面を他方の面または下面とする。但し、力覚センサ装置１は天地逆の状態で用いることができ、または任意の角度で配置することができる。また、平面視とは対象物をセンサチップ１１０の上面の法線方向（Ｚ軸方向）から視ることを指し、平面形状とは対象物をセンサチップ１１０の上面の法線方向（Ｚ軸方向）から視た形状を指すものとする。
In the present embodiment, for convenience, in the
（センサチップ１１０）
図３は、センサチップ１１０をＺ軸方向上側から視た図であり、図３（ａ）は斜視図、図３（ｂ）は平面図である。図４は、センサチップ１１０をＺ軸方向下側から視た図であり、図４（ａ）は斜視図、図４（ｂ）は底面図である。図４（ｂ）において、便宜上、同一高さの面を同一の梨地模様で示している。なお、センサチップ１１０の上面の一辺に平行な方向をＸ軸方向、垂直な方向をＹ軸方向、センサチップ１１０の厚さ方向（センサチップ１１０の上面の法線方向）をＺ軸方向としている。Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、及びＺ軸方向は、互いに直交している。
(Sensor chip 110)
3A and 3B are views of the
図３及び図４に示すセンサチップ１１０は、１チップで最大６軸を検知できるＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）センサチップであり、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板等の半導体基板から形成されている。センサチップ１１０の平面形状は、例えば、３０００μｍ角程度の正方形とすることができる。
The
センサチップ１１０は、柱状の５つの支持部１１１ａ〜１１１ｅを備えている。支持部１１１ａ〜１１１ｅの平面形状は、例えば、５００μｍ角程度の正方形とすることができる。第１の支持部である支持部１１１ａ〜１１１ｄは、センサチップ１１０の四隅に配置されている。第２の支持部である支持部１１１ｅは、支持部１１１ａ〜１１１ｄの中央に配置されている。
The
支持部１１１ａ〜１１１ｅは、例えば、ＳＯＩ基板の活性層、ＢＯＸ層、及び支持層から形成することができ、それぞれの厚さは、例えば、５００μｍ程度とすることができる。
The
支持部１１１ａと支持部１１１ｂとの間には、支持部１１１ａと支持部１１１ｂとに両端を固定された（隣接する支持部同士を連結する）、構造を補強するための補強用梁１１２ａが設けられている。支持部１１１ｂと支持部１１１ｃとの間には、支持部１１１ｂと支持部１１１ｃとに両端を固定された（隣接する支持部同士を連結する）、構造を補強するための補強用梁１１２ｂが設けられている。
Between the
支持部１１１ｃと支持部１１１ｄとの間には、支持部１１１ｃと支持部１１１ｄとに両端を固定された（隣接する支持部同士を連結する）、構造を補強するための補強用梁１１２ｃが設けられている。支持部１１１ｄと支持部１１１ａとの間には、支持部１１１ｄと支持部１１１ａとに両端を固定された（隣接する支持部同士を連結する）、構造を補強するための補強用梁１１２ｄが設けられている。
Between the
言い換えれば、第１の補強用梁である４つの補強用梁１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃ、及び１１２ｄが枠状に形成され、各補強用梁の交点をなす角部が、支持部１１１ｂ、１1１ｃ、１１１ｄ、１１１ａとなる。
In other words, the four reinforcing
支持部１１１ａの内側の角部と、それに対向する支持部１１１ｅの角部とは、構造を補強するための補強用梁１１２ｅにより連結されている。支持部１１１ｂの内側の角部と、それに対向する支持部１１１ｅの角部とは、構造を補強するための補強用梁１１２ｆにより連結されている。
The inner corner portion of the
支持部１１１ｃの内側の角部と、それに対向する支持部１１１ｅの角部とは、構造を補強するための補強用梁１１２ｇにより連結されている。支持部１１１ｄの内側の角部と、それに対向する支持部１１１ｅの角部とは、構造を補強するための補強用梁１１２ｈにより連結されている。第２の補強用梁である補強用梁１１２ｅ〜１１２ｈは、Ｘ軸方向（Ｙ軸方向）に対して斜めに配置されている。つまり、補強用梁１１２ｅ〜１１２ｈは、補強用梁１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃ、及び１１２ｄと非平行に配置されている。
The inner corner portion of the
補強用梁１１２ａ〜１１２ｈは、例えば、ＳＯＩ基板の活性層、ＢＯＸ層、及び支持層から形成することができる。補強用梁１１２ａ〜１１２ｈの太さ（短手方向の幅）は、例えば、１４０μｍ程度とすることができる。補強用梁１１２ａ〜１１２ｈのそれぞれの上面は、支持部１１１ａ〜１１１ｅの上面と略面一である。
The reinforcing
これに対して、補強用梁１１２ａ〜１１２ｈのそれぞれの下面は、支持部１１１ａ〜１１１ｅの下面及び力点１１４ａ〜１１４ｄの下面よりも数１０μｍ程度上面側に窪んでいる。これは、センサチップ１１０を起歪体２０に接着したときに、補強用梁１１２ａ〜１１２ｈの下面が起歪体２０の対向する面と接しないようにするためである。
On the other hand, the lower surfaces of the reinforcing
このように、歪を検知するための検知用梁とは別に、検知用梁よりも厚く形成した剛性の強い補強用梁を配置することで、センサチップ１１０全体の剛性を高めることができる。これにより、入力に対して検知用梁以外が変形しづらくなるため、良好なセンサ特性を得ることができる。
As described above, by arranging the reinforcing beam having a higher rigidity formed thicker than the detection beam separately from the detection beam for detecting the strain, the rigidity of the
支持部１１１ａと支持部１１１ｂとの間の補強用梁１１２ａの内側には、補強用梁１１２ａと所定間隔を空けて平行に、支持部１１１ａと支持部１１１ｂとに両端を固定された（隣接する支持部同士を連結する）、歪を検知するための検知用梁１１３ａが設けられている。
Inside the reinforcing
検知用梁１１３ａと支持部１１１ｅとの間には、検知用梁１１３ａ及び支持部１１１ｅと所定間隔を空けて検知用梁１１３ａと平行に、検知用梁１１３ｂが設けられている。検知用梁１１３ｂは、補強用梁１１２ｅの支持部１１１ｅ側の端部と補強用梁１１２ｆの支持部１１１ｅ側の端部とを連結している。
A
検知用梁１１３ａの長手方向の略中央部と、それに対向する検知用梁１１３ｂの長手方向の略中央部とは、検知用梁１１３ａ及び検知用梁１１３ｂと直交するように配置された検知用梁１１３ｃにより連結されている。
The substantially central portion of the
支持部１１１ｂと支持部１１１ｃとの間の補強用梁１１２ｂの内側には、補強用梁１１２ｂと所定間隔を空けて平行に、支持部１１１ｂと支持部１１１ｃとに両端を固定された（隣接する支持部同士を連結する）、歪を検知するための検知用梁１１３ｄが設けられている。
Inside the reinforcing
検知用梁１１３ｄと支持部１１１ｅとの間には、検知用梁１１３ｄ及び支持部１１１ｅと所定間隔を空けて検知用梁１１３ｄと平行に、検知用梁１１３ｅが設けられている。検知用梁１１３ｅは、補強用梁１１２ｆの支持部１１１ｅ側の端部と補強用梁１１２ｇの支持部１１１ｅ側の端部とを連結している。
A
検知用梁１１３ｄの長手方向の略中央部と、それに対向する検知用梁１１３ｅの長手方向の略中央部とは、検知用梁１１３ｄ及び検知用梁１１３ｅと直交するように配置された検知用梁１１３ｆにより連結されている。
The substantially central portion of the
支持部１１１ｃと支持部１１１ｄとの間の補強用梁１１２ｃの内側には、補強用梁１１２ｃと所定間隔を空けて平行に、支持部１１１ｃと支持部１１１ｄとに両端を固定された（隣接する支持部同士を連結する）、歪を検知するための検知用梁１１３ｇが設けられている。
Inside the reinforcing
検知用梁１１３ｇと支持部１１１ｅとの間には、検知用梁１１３ｇ及び支持部１１１ｅと所定間隔を空けて検知用梁１１３ｇと平行に、検知用梁１１３ｈが設けられている。検知用梁１１３ｈは、補強用梁１１２ｇの支持部１１１ｅ側の端部と補強用梁１１２ｈの支持部１１１ｅ側の端部とを連結している。
A
検知用梁１１３ｇの長手方向の略中央部と、それに対向する検知用梁１１３ｈの長手方向の略中央部とは、検知用梁１１３ｇ及び検知用梁１１３ｈと直交するように配置された検知用梁１１３ｉにより連結されている。
The substantially central portion of the
支持部１１１ｄと支持部１１１ａとの間の補強用梁１１２ｄの内側には、補強用梁１１２ｄと所定間隔を空けて平行に、支持部１１１ｄと支持部１１１ａとに両端を固定された（隣接する支持部同士を連結する）、歪を検知するための検知用梁１１３ｊが設けられている。
Inside the reinforcing
検知用梁１１３ｊと支持部１１１ｅとの間には、検知用梁１１３ｊ及び支持部１１１ｅと所定間隔を空けて検知用梁１１３ｊと平行に、検知用梁１１３ｋが設けられている。検知用梁１１３ｋは、補強用梁１１２ｈの支持部１１１ｅ側の端部と補強用梁１１２ｅの支持部１１１ｅ側の端部とを連結している。
A
検知用梁１１３ｊの長手方向の略中央部と、それに対向する検知用梁１１３ｋの長手方向の略中央部とは、検知用梁１１３ｊ及び検知用梁１１３ｋと直交するように配置された検知用梁１１３ｌにより連結されている。
The substantially central portion of the
検知用梁１１３ａ〜１１３ｌは、支持部１１１ａ〜１１１ｅの厚さ方向の上端側に設けられ、例えば、ＳＯＩ基板の活性層から形成することができる。検知用梁１１３ａ〜１１３ｌの太さ（短手方向の幅）は、例えば、７５μｍ程度とすることができる。検知用梁１１３ａ〜１１３ｌの太さ（短手方向の幅）は、位置により異なっていてもよい。検知用梁１１３ａ〜１１３ｌのそれぞれの上面は、支持部１１１ａ〜１１１ｅの上面と略面一である。検知用梁１１３ａ〜１１３ｌのそれぞれの厚さは、例えば、５０μｍ程度とすることができる。
The
検知用梁１１３ａの長手方向の中央部の下面側（検知用梁１１３ａと検知用梁１１３ｃとの交点）には、力点１１４ａが設けられている。検知用梁１１３ａ、１１３ｂ、及び１１３ｃと力点１１４ａとにより、１組の検知ブロックをなしている。
A
検知用梁１１３ｄの長手方向の中央部の下面側（検知用梁１１３ｄと検知用梁１１３ｆとの交点）には、力点１１４ｂが設けられている。検知用梁１１３ｄ、１１３ｅ、及び１１３ｆと力点１１４ｂとにより、１組の検知ブロックをなしている。
A
検知用梁１１３ｇの長手方向の中央部の下面側（検知用梁１１３ｇと検知用梁１１３ｉとの交点）には、力点１１４ｃが設けられている。検知用梁１１３ｇ、１１３ｈ、及び１１３ｉと力点１１４ｃとにより、１組の検知ブロックをなしている。
A
検知用梁１１３ｊの長手方向の中央部の下面側（検知用梁１１３ｊと検知用梁１１３ｌとの交点）には、力点１１４ｄが設けられている。検知用梁１１３ｊ、１１３ｋ、及び１１３ｌと力点１１４ｄとにより、１組の検知ブロックをなしている。
A
力点１１４ａ〜１１４ｄは、外力が印加される箇所であり、例えば、ＳＯＩ基板のＢＯＸ層及び支持層から形成することができる。力点１１４ａ〜１１４ｄのそれぞれの下面は、支持部１１１ａ〜１１１ｅの下面と略面一である。
The
このように、力または変位を４つの力点１１４ａ〜１１４ｄから取り入れることで、力の種類毎に異なる梁の変形が得られるため、６軸の分離性が良いセンサを実現することができる。
By incorporating the force or displacement from the four
なお、センサチップ１１０において、応力集中を抑制する観点から、内角を形成する部分はＲ状とすることが好ましい。
In the
図５は、各軸にかかる力及びモーメントを示す符号を説明する図である。図５に示すように、Ｘ軸方向の力をＦｘ、Ｙ軸方向の力をＦｙ、Ｚ軸方向の力をＦｚとする。また、Ｘ軸を軸として回転させるモーメントをＭｘ、Ｙ軸を軸として回転させるモーメントをＭｙ、Ｚ軸を軸として回転させるモーメントをＭｚとする。 FIG. 5 is a diagram for explaining a reference numeral indicating a force and a moment applied to each axis. As shown in FIG. 5, the force in the X-axis direction is Fx, the force in the Y-axis direction is Fy, and the force in the Z-axis direction is Fz. Further, the moment of rotation about the X axis is Mx, the moment of rotation about the Y axis is My, and the moment of rotation about the Z axis is Mz.
図６は、センサチップ１１０のピエゾ抵抗素子の配置を例示する図である。４つの力点１１４ａ〜１１４ｄに対応する各検知ブロックの所定位置には、複数の歪検知素子であるピエゾ抵抗素子が配置されている。
FIG. 6 is a diagram illustrating the arrangement of the piezo resistance element of the
具体的には、図３及び図６を参照すると、力点１１４ａに対応する検知ブロックにおいて、ピエゾ抵抗素子ＭｘＲ３及びＭｘＲ４は、検知用梁１１３ａを長手方向に二等分する線上であって、かつ、検知用梁１１３ａの検知用梁１１３ｃに近い領域において検知用梁１１３ｃを長手方向（Ｙ方向）に二等分する線に対して対称な位置に配置されている。ピエゾ抵抗素子ＦｙＲ３及びＦｙＲ４は、検知用梁１１３ａを長手方向に二等分する線よりも補強用梁１１２ａ側であって、かつ、検知用梁１１３ａの検知用梁１１３ｃから遠い領域において検知用梁１１３ｃを長手方向に二等分する線に対して対称な位置に配置されている。
Specifically, referring to FIGS. 3 and 6, in the detection block corresponding to the
また、ピエゾ抵抗素子ＭｚＲ３'及びＭｚＲ４'は、検知用梁１１３ａを長手方向に二等分する線上であって、かつ、検知用梁１１３ａの支持部１１１ａ、１１１ｂと連結される位置と力点１１４ａと連結される位置の中点近傍において検知用梁１１３ｃを長手方向に二等分する線に対して対称な位置に配置されている。ここで、検知用梁１１３ａは、支持部１１１ａ、１１１ｂまたは力点１１４ａと連結される位置の検知用梁１１３ａの幅より、ピエゾ抵抗素子ＭｚＲ３'及びＭｚＲ４'が形成された位置の検知用梁１１３ａの幅の方が小さい。検知用梁１１３ａは、支持部１１１ａ、１１１ｂと連結される位置と力点１１４ａと連結される位置の間に梁幅が狭くなった箇所が形成されており、この梁幅が狭くなった箇所の検知用梁１１３ａの上にピエゾ抵抗素子ＭｚＲ３'及びＭｚＲ４'が形成されている。
Further, the piezo resistance elements MzR3'and MzR4' are on a line that bisects the
力点１１４ｂに対応する検知ブロックにおいて、ピエゾ抵抗素子ＭｙＲ３及びＭｙＲ４は、検知用梁１１３ｄを長手方向に二等分する線上であって、かつ、検知用梁１１３ｄの検知用梁１１３ｆに近い領域において検知用梁１１３ｆを長手方向（Ｘ方向）に二等分する線に対して対称な位置に配置されている。ピエゾ抵抗素子ＦｘＲ３及びＦｘＲ４は、検知用梁１１３ｄを長手方向に二等分する線よりも補強用梁１１２ｂ側であって、かつ、検知用梁１１３ｄの検知用梁１１３ｆから遠い領域において検知用梁１１３ｆを長手方向に二等分する線に対して対称な位置に配置されている。
In the detection block corresponding to the
また、ピエゾ抵抗素子ＭｚＲ３及びＭｚＲ４は、検知用梁１１３ｄを長手方向に二等分する線上であって、かつ、検知用梁１１３ｄの支持部１１１ｂ、１１１ｃと連結される位置と力点１１４ｂと連結される位置の中点近傍において検知用梁１１３ｆを長手方向に二等分する線に対して対称な位置に配置されている。ここで、検知用梁１１３ｄは、支持部１１１ｂ、１１１ｃまたは力点１１４ｂと連結される位置の検知用梁１１３ｄの幅より、ピエゾ抵抗素子ＭｚＲ３及びＭｚＲ４が形成された位置の検知用梁１１３ｄの幅の方が小さい。検知用梁１１３ｄは、支持部１１１ｂ、１１１ｃと連結される位置と力点１１４ｂと連結される位置の間に梁幅が狭くなった箇所が形成されており、この梁幅が狭くなった箇所の検知用梁１１３ｄの上にピエゾ抵抗素子ＭｚＲ３及びＭｚＲ４が形成されている。
Further, the piezo resistance elements MzR3 and MzR4 are on a line that bisects the
ピエゾ抵抗素子ＦｚＲ２及びＦｚＲ３は、検知用梁１１３ｅを長手方向に二等分する線上であって、かつ、検知用梁１１３ｅの検知用梁１１３ｆに近い領域において検知用梁１１３ｆを長手方向に二等分する線に対して対称な位置に配置されている。ピエゾ抵抗素子ＦｚＲ１'及びＦｚＲ４'は、検知用梁１１３ｅを長手方向に二等分する線上であって、かつ、検知用梁１１３ｅの検知用梁１１３ｆから遠い領域において検知用梁１１３ｆを長手方向に二等分する線に対して対称な位置に配置されている。ここで、検知用梁１１３ｅは、直線部と、連結部により直線部に連結される傾斜部とを有する。直線部は検知用梁１１３ｅの梁幅が略一定の部分である。傾斜部は、検知用梁１１３ｅの端部もしくは検知用梁１１３ｆに接続する部分に設けられた部であり、傾斜部の梁幅は連結部から遠ざかるにつれて徐々に太くなる。ピエゾ抵抗素子ＦｚＲ２、ＦｚＲ３、ＦｚＲ１'、ＦｚＲ４'は、上記の構成の検知用梁１１３ｅにおいて、連結部より傾斜部側に配置されている。即ち、ピエゾ抵抗素子ＦｚＲ２、ＦｚＲ３、ＦｚＲ１'、ＦｚＲ４'は、検知用梁１１３ｅの直線部上ではなく、傾斜部の内部に配置されているといえる。また、ピエゾ抵抗素子ＦｚＲ１'及びＦｚＲ４'については、ピエゾ抵抗素子ＦｚＲ１'及びＦｚＲ４'の一部がそれぞれ補強用梁１１２ｇあるいは補強用梁１１２ｆにかかるように形成されている。
The piezo resistance elements FzR2 and FzR3 are on a line that bisects the
力点１１４ｃに対応する検知ブロックにおいて、ピエゾ抵抗素子ＭｘＲ１及びＭｘＲ２は、検知用梁１１３ｇを長手方向に二等分する線上であって、かつ、検知用梁１１３ｇの検知用梁１１３ｉに近い領域において検知用梁１１３ｉを長手方向（Ｙ方向）に二等分する線に対して対称な位置に配置されている。ピエゾ抵抗素子ＦｙＲ１及びＦｙＲ２は、検知用梁１１３ｇを長手方向に二等分する線よりも補強用梁１１２ｃ側であって、かつ、検知用梁１１３ｇの検知用梁１１３ｉから遠い領域において検知用梁１１３ｉを長手方向に二等分する線に対して対称な位置に配置されている。
In the detection block corresponding to the
ピエゾ抵抗素子ＭｚＲ１'及びＭｚＲ２'は、検知用梁１１３ｇを長手方向に二等分する線上であって、かつ、検知用梁１１３ｇの支持部１１１ｃ、１１１ｄと連結される位置と力点１１４ｃと連結される位置の中点近傍において検知用梁１１３ｉを長手方向に二等分する線に対して対称な位置に配置されている。ここで、検知用梁１１３ｇは、支持部１１１ｃ、１１１ｄまたは力点１１４ｃと連結される位置の検知用梁１１３ｇの幅より、ピエゾ抵抗素子ＭｚＲ１'及びＭｚＲ２'が形成された位置の検知用梁１１３ｇの幅の方が小さい。即ち、検知用梁１１３ｇは、支持部１１１ｃ、１１１ｄと連結される位置と力点１１４ｃと連結される位置の間に梁幅が狭くなった箇所が形成されており、この梁幅が狭くなった箇所の検知用梁１１３ｇの上にピエゾ抵抗素子ＭｚＲ１'及びＭｚＲ２'が形成されている。
The piezo resistance elements MzR1'and MzR2' are on a line that bisects the
力点１１４ｄに対応する検知ブロックにおいて、ピエゾ抵抗素子ＭｙＲ１及びＭｙＲ２は、検知用梁１１３ｊを長手方向に二等分する線上であって、かつ、検知用梁１１３ｊの検知用梁１１３ｌに近い領域において検知用梁１１３ｌを長手方向（Ｘ方向）に二等分する線に対して対称な位置に配置されている。ピエゾ抵抗素子ＦｘＲ１及びＦｘＲ２は、検知用梁１１３ｊを長手方向に二等分する線よりも補強用梁１１２ｄ側であって、かつ、検知用梁１１３ｊの検知用梁１１３ｌから遠い領域において検知用梁１１３ｌを長手方向に二等分する線に対して対称な位置に配置されている。
In the detection block corresponding to the
ピエゾ抵抗素子ＭｚＲ１及びＭｚＲ２は、検知用梁１１３ｊを長手方向に二等分する線上であって、かつ、検知用梁１１３ｊの支持部１１１ｄ、１１１ａと連結される位置と力点１１４ｄと連結される位置の中点近傍において検知用梁１１３ｌを長手方向に二等分する線に対して対称な位置に配置されている。ここで、検知用梁１１３ｊは、支持部１１１ｄ、１１１ａまたは力点１１４ｄと連結される位置の検知用梁１１３ｊの幅より、ピエゾ抵抗素子ＭｚＲ１及びＭｚＲ２が形成された位置の検知用梁１１３ｊの幅の方が小さい。即ち、検知用梁１１３ｊは、支持部１１１ｄ、１１１ａと連結される位置と力点１１４ｄと連結される位置の間に梁幅が狭くなった箇所が形成されており、この梁幅が狭くなった箇所の検知用梁１１３ｊの上にピエゾ抵抗素子ＭｚＲ１及びＭｚＲ２が形成されている。
The piezo resistance elements MzR1 and MzR2 are on a line that bisects the
ピエゾ抵抗素子ＦｚＲ１及びＦｚＲ４は、検知用梁１１３ｋを長手方向に二等分する線上であって、かつ、検知用梁１１３ｋの検知用梁１１３ｌから遠い領域において検知用梁１１３ｌを長手方向に二等分する線に対して対称な位置に配置されている。ピエゾ抵抗素子ＦｚＲ２'及びＦｚＲ３'は、検知用梁１１３ｋを長手方向に二等分する線上であって、かつ、検知用梁１１３ｋの検知用梁１１３ｌに近い領域において検知用梁１１３ｌを長手方向に二等分する線に対して対称な位置に配置されている。ここで、検知用梁１１３ｋは、直線部と、連結部により直線部に連結される傾斜部とを有する。直線部は検知用梁１１３ｋの梁幅が略一定の部分である。傾斜部は、検知用梁１１３ｋの端部もしくは検知用梁１１３ｌに接続する部分に設けられた部であり、傾斜部の梁幅は連結部から遠ざかるにつれて徐々に太くなる。ピエゾ抵抗素子ＦｚＲ１、ＦｚＲ４、ＦｚＲ２'、ＦｚＲ３'は、上記の構成の検知用梁１１３ｋにおいて、連結部より傾斜部側に配置されている。即ち、ピエゾ抵抗素子ＦｚＲ１、ＦｚＲ４、ＦｚＲ２'、ＦｚＲ３'は、検知用梁１１３ｋの直線部上ではなく、傾斜部の内部に配置されているといえる。また、ピエゾ抵抗素子ＦｚＲ１及びＦｚＲ４については、ピエゾ抵抗素子ＦｚＲ１及びＦｚＲ４の一部がそれぞれ補強用梁１１２ｈあるいは補強用梁１１２ｅにかかるように形成されている。
The piezo resistance elements FzR1 and FzR4 are on a line that bisects the
このように、センサチップ１１０では、各検知ブロックに複数のピエゾ抵抗素子を分けて配置している。これにより、力点１１４ａ〜１１４ｄに印加（伝達）された力の向き（軸方向）に応じた、所定の梁に配置された複数のピエゾ抵抗素子の出力の変化に基づいて、所定の軸方向の変位を最大で６軸検知することができる。
As described above, in the
また、センサチップ１１０では、検知用梁１１３ｃ、１１３ｆ、１１３ｉ、及び１１３ｌをできるだけ短くして、検知用梁１１３ｂ、１１３ｅ、１１３ｈ、及び１１３ｋを検知用梁１１３ａ、１１３ｄ、１１３ｇ、及び１１３ｊに近づけ、検知用梁１１３ｂ、１１３ｅ、１１３ｈ、及び１１３ｋの長さをできるだけ確保する構造としている。この構造により、検知用梁１１３ｂ、１１３ｅ、１１３ｈ、及び１１３ｋが弓なりに撓みやすくなって応力集中を緩和でき、耐荷重を向上することができる。
Further, in the
また、センサチップ１１０では、検知用梁１１３ｃ、１１３ｆ、１１３ｉ、及び１１３ｌにはピエゾ抵抗素子を配置していない。その代り、検知用梁１１３ｃ、１１３ｆ、１１３ｉ、及び１１３ｌよりも細くて長く、弓なりに撓みやすい検知用梁１１３ａ、１１３ｄ、１１３ｇ、及び１１３ｊ、並びに検知用梁１１３ｂ、１１３ｅ、１１３ｈ、及び１１３ｋの応力が最大になる位置の近傍にピエゾ抵抗素子を配置している。その結果、センサチップ１１０では、効率よく応力を取り込むことが可能となり、感度（同じ応力に対するピエゾ抵抗素子の抵抗変化）を向上することができる。
Further, in the
なお、センサチップ１１０では、歪の検出に用いるピエゾ抵抗素子以外にも、ダミーのピエゾ抵抗素子が配置されている。ダミーのピエゾ抵抗素子は、歪の検出に用いるピエゾ抵抗素子も含めた全てのピエゾ抵抗素子が、支持部１１１ｅの中心に対して点対称となるように配置されている。
In the
ここで、ピエゾ抵抗素子ＦｘＲ１〜ＦｘＲ４は力Ｆｘを検出し、ピエゾ抵抗素子ＦｙＲ１〜ＦｙＲ４は力Ｆｙを検出し、ピエゾ抵抗素子ＦｚＲ１〜ＦｚＲ４、ＦｚＲ１'〜ＦｚＲ４'は力Ｆｚを検出する。ピエゾ抵抗素子ＭｘＲ１〜ＭｘＲ４はモーメントＭｘを検出し、ピエゾ抵抗素子ＭｙＲ１〜ＭｙＲ４はモーメントＭｙを検出し、ピエゾ抵抗素子ＭｚＲ１〜ＭｚＲ４、ＭｚＲ１'〜ＭｚＲ４'はモーメントＭｚを検出する。本実施の形態においては、ピエゾ抵抗素子ＦｚＲ１'〜ＦｚＲ４'をダミーとして、ピエゾ抵抗素子ＦｚＲ１〜ＦｚＲ４から力Ｆｚを検出してもよい。また、ピエゾ抵抗素子ＭｚＲ１'〜ＭｚＲ４'をダミーとして、ピエゾ抵抗素子ＭｚＲ１〜ＭｚＲ４からモーメントＭｚを検出してもよい。 Here, the piezo resistance elements FxR1 to FxR4 detect the force Fx, the piezo resistance elements FyR1 to FyR4 detect the force Fy, and the piezo resistance elements FzR1 to FzR4 and FzR1'to FzR4' detect the force Fz. The piezo resistance elements MxR1 to MxR4 detect the moment Mx, the piezo resistance elements MyR1 to MyR4 detect the moment My, and the piezo resistance elements MzR1 to MzR4 and MzR1'to MzR4' detect the moment Mz. In the present embodiment, the force Fz may be detected from the piezo resistance elements FzR1 to FzR4 by using the piezo resistance elements FzR1'to FzR4' as dummies. Further, the moment Mz may be detected from the piezo resistance elements MzR1 to MzR4 by using the piezo resistance elements MzR1'to MzR4' as a dummy.
このように、センサチップ１１０では、各検知ブロックに複数のピエゾ抵抗素子を分けて配置している。これにより、力点１１４ａ〜１１４ｄに印加（伝達）された力または変位の向き（軸方向）に応じた、所定の梁に配置された複数のピエゾ抵抗素子の出力の変化に基づいて、所定の軸方向の変位を最大で６軸検知することができる。
As described above, in the
具体的には、センサチップ１１０において、Ｚ軸方向の変位（Ｍｘ、Ｍｙ、Ｆｚ）は、所定の検知用梁の変形に基づいて検知することができる。すなわち、Ｘ軸方向及びＹ軸方向のモーメント（Ｍｘ、Ｍｙ）は、第１の検知用梁である検知用梁１１３ａ、１１３ｄ、１１３ｇ、及び１１３ｊの変形に基づいて検知することができる。また、Ｚ軸方向の力（Ｆｚ）は、第２の検知用梁である検知用梁１１３ｅ及び１１３ｋの変形に基づいて検知することができる。
Specifically, in the
また、センサチップ１１０において、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の変位（Ｆｘ、Ｆｙ、Ｍｚ）は、所定の検知用梁の変形に基づいて検知することができる。すなわち、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の力（Ｆｘ、Ｆｙ）は、第１の検知用梁である検知用梁１１３ａ、１１３ｄ、１１３ｇ、及び１１３ｊの変形に基づいて検知することができる。また、Ｚ軸方向のモーメント（Ｍｚ）は、第１の検知用梁である検知用梁１１３ａ、１１３ｄ、１１３ｇ、及び１１３ｊの変形に基づいて検知することができる。
Further, in the
上記の本実施の形態のセンサチップは、検知用梁１１３ｅは、直線部と、連結部により直線部に連結される傾斜部とを有し、ピエゾ抵抗素子ＦｚＲ２、ＦｚＲ３、ＦｚＲ１'、ＦｚＲ４'は、上記の構成の検知用梁１１３ｅにおいて、連結部より傾斜部側に配置されている。また、検知用梁１１３ｋは、直線部と、連結部により直線部に連結される傾斜部とを有し、ピエゾ抵抗素子ＦｚＲ１、ＦｚＲ４、ＦｚＲ２'、ＦｚＲ３'は、上記の構成の検知用梁１１３ｋにおいて、連結部より傾斜部側に配置されている。この構成と、それによる効果については後述する。
In the sensor chip of the present embodiment, the
各検知用梁の厚みと幅を可変することで、検出感度の均一化や、検出感度の向上等の調整を図ることができる。 By varying the thickness and width of each detection beam, it is possible to make adjustments such as making the detection sensitivity uniform and improving the detection sensitivity.
但し、ピエゾ抵抗素子の数を減らし、５軸以下の所定の軸方向の変位を検知するセンサチップとすることも可能である。 However, it is also possible to reduce the number of piezo resistance elements and use a sensor chip that detects displacement in a predetermined axial direction of 5 axes or less.
上記の本実施の形態に係るセンサチップによれば、梁の根元に傾斜部を設けることにより、力が印加されたときの梁の変形が変わり、新たに応力を検出できる箇所を作り出すことができる。これにより、応力発生個所を制御することが可能である。また、入力の種類によって梁の異なる箇所（梁の離れた箇所）に発生する応力をピエゾ抵抗素子で検出することで、干渉の少ない軸分離が実現でき、複合的な入力に対して高精度に検出することができる。本実施の形態に係るセンサチップでは、特にＦｘとＦｚの軸分離、及び、ＦｘとＭｘ、Ｍｙとの軸分離について高い効果を得ることができる。また、梁や力点を増加させることなく１本の梁で複数種類の力及びトルクを精度よく検出することができるため、センサチップを小型化できる。また、梁の根元に傾斜部を設けることで梁の剛性が高められ、耐荷重を向上できる。 According to the sensor chip according to the present embodiment described above, by providing the inclined portion at the base of the beam, the deformation of the beam when a force is applied changes, and a new stress can be detected. .. This makes it possible to control the stress generation location. In addition, by detecting the stress generated in different parts of the beam (parts away from the beam) depending on the type of input with a piezo resistance element, axis separation with less interference can be realized, and high accuracy is achieved for complex inputs. Can be detected. In the sensor chip according to the present embodiment, it is possible to obtain a particularly high effect on the axis separation of Fx and Fz and the axis separation of Fx and Mx and My. Further, since it is possible to accurately detect a plurality of types of forces and torques with one beam without increasing the number of beams and force points, the sensor chip can be miniaturized. Further, by providing the inclined portion at the base of the beam, the rigidity of the beam can be increased and the load capacity can be improved.
（起歪体２０）
図７は、起歪体２０を例示する図（その１）であり、図７（ａ）は斜視図、図７（ｂ）は側面図である。図８は、起歪体２０を例示する図（その２）であり、図８（ａ）は平面図、図８（ｂ）は図８（ａ）のＡ−Ａ線に沿う縦断面斜視図である。図８（ａ）において、便宜上、同一高さの面を同一の梨地模様で示している。図９は、起歪体２０を例示する図（その３）であり、図９（ａ）は図８（ａ）のＢ−Ｂ線に沿う縦断面図であり、図９（ｂ）は図９（ａ）のＣ−Ｃ線に沿う横断面図である。
(Distortion body 20)
FIG. 7 is a view (No. 1) illustrating the strain-causing
図７〜図９に示すように、起歪体２０は、被固定部に直接取り付けられる土台２１と、センサチップ１１０を搭載するセンサチップ搭載部となる柱２８と、柱２８の周囲に離間して配置された柱２２ａ〜２２ｄとを備えている。
As shown in FIGS. 7 to 9, the
より詳しくは、起歪体２０において、略円形の土台２１の上面に、土台２１の中心に対して均等（点対称）となるように４本の柱２２ａ〜２２ｄが配置され、隣接する柱同士を連結する第１の梁である４本の梁２３ａ〜２３ｄが枠状に設けられている。そして、土台２１の上面中央の上方に、柱２８が配置されている。なお、土台２１の平面形状は円形には限定されず、多角形等（例えば、正方形等）としてもよい。
More specifically, in the
柱２８は、柱２２ａ〜２２ｄよりも太くて短く形成されている。なお、センサチップ１１０は、柱２２ａ〜２２ｄの上面から突出しないように、柱２８上に固定される。
The
柱２８は、土台２１の上面には直接固定されていなく、接続用梁２８ａ〜２８ｄを介して柱２２ａ〜２２ｄに固定されている。そのため、土台２１の上面と柱２８の下面との間には空間がある。柱２８の下面と、接続用梁２８ａ〜２８ｄの各々の下面とは、面一とすることができる。
The
柱２８の接続用梁２８ａ〜２８ｄが接続される部分の横断面形状は例えば矩形であり、矩形の四隅と矩形の四隅に対向する柱２２ａ〜２２ｄとが接続用梁２８ａ〜２８ｄを介して接続されている。接続用梁２８ａ〜２８ｄが、柱２２ａ〜２２ｄと接続される位置２２１〜２２４は、柱２２ａ〜２２ｄの高さ方向の中間よりも下側であることが好ましい。この理由については、後述する。なお、柱２８の接続用梁２８ａ〜２８ｄが接続される部分の横断面形状は矩形には限定されず、円形や多角形等（例えば、六角形等）としてもよい。
The cross-sectional shape of the portion of the
接続用梁２８ａ〜２８ｄは、土台２１の中心に対して均等（点対称）となるように、土台２１の上面と所定間隔を空けて土台２１の上面と略平行に配置されている。接続用梁２８ａ〜２８ｄの太さや厚み（剛性）は、起歪体２０の変形を妨げないようにするため、柱２２ａ〜２２ｄや梁２３ａ〜２３ｄよりも細く薄く形成することが好ましい。
The connecting
このように、土台２１の上面と柱２８の下面とは所定の距離だけ離れている。所定の距離は、例えば、数ｍｍ程度とすることができる。
In this way, the upper surface of the
土台２１には、起歪体２０を被固定部にねじ等を用いて締結するための貫通孔２１ｘが設けられている。本実施の形態では、土台２１には４つの貫通孔２１ｘが設けられているが、貫通孔２１ｘの個数は任意に決定することができる。
The
土台２１を除く起歪体２０の概略形状は、例えば、縦５０００μｍ程度、横５０００μｍ程度、高さ７０００μｍ程度の直方体状とすることができる。柱２２ａ〜２２ｄの横断面形状は、例えば、１０００μｍ角程度の正方形とすることができる。柱２８の横断面形状は、例えば、２０００μｍ角程度の正方形とすることができる。
The approximate shape of the
但し、起歪体２０において、応力集中を抑制する観点から、内角を形成する部分はＲ状とすることが好ましい。例えば、柱２２ａ〜２２ｄの土台２１の上面の中心側の面は、上下がＲ状に形成されていることが好ましい。同様に、梁２３ａ〜２３ｄの土台２１の上面と対向する面は、左右がＲ状に形成されていることが好ましい。
However, in the
梁２３ａ〜２３ｄのそれぞれの上面の長手方向の中央部には、梁２３ａ〜２３ｄの長手方向の中央部から上方に突起する突起部が設けられ、突起部上に、例えば四角柱状の入力部２４ａ〜２４ｄが設けられている。入力部２４ａ〜２４ｄは外部から力が印加される部分であり、入力部２４ａ〜２４ｄに力が印加されると、それに応じて梁２３ａ〜２３ｄ及び柱２２ａ〜２２ｄが変形する。
In the central portion of the upper surface of each of the
このように、４つの入力部２４ａ〜２４ｄを設けることで、例えば１つの入力部の構造と比較して、梁２３ａ〜２３ｄの耐荷重を向上することができる。
By providing the four
柱２８の上面の四隅には４本の柱２５ａ〜２５ｄが配置され、柱２８の上面の中央部には第４の柱である柱２５ｅが配置されている。柱２５ａ〜２５ｅは、同一の高さに形成されている。
Four
すなわち、柱２５ａ〜２５ｅのそれぞれの上面は、同一平面上に位置している。柱２５ａ〜２５ｅのそれぞれの上面は、センサチップ１１０の下面と接着される接合部となる。
That is, the upper surfaces of the
梁２３ａ〜２３ｄのそれぞれの内側面の長手方向の中央部には、梁２３ａ〜２３ｄのそれぞれの内側面から水平方向内側に突出する梁２６ａ〜２６ｄが設けられている。梁２６ａ〜２６ｄは、梁２３ａ〜２３ｄや柱２２ａ〜２２ｄの変形をセンサチップ１１０に伝達する第２の梁である。また、梁２６ａ〜２６ｄのそれぞれの上面の先端側には、梁２６ａ〜２６ｄのそれぞれの上面の先端側から上方に突起する突起部２７ａ〜２７ｄが設けられている。
突起部２７ａ〜２７ｄは、同一の高さに形成されている。すなわち、突起部２７ａ〜２７ｄのそれぞれの上面は、同一平面上に位置している。突起部２７ａ〜２７ｄのそれぞれの上面は、センサチップ１１０の下面と接着される接合部となる。梁２６ａ〜２６ｄ及び突起部２７ａ〜２７ｄは、可動部となる梁２３ａ〜２３ｄと連結されているため、入力部２４ａ〜２４ｄに力が印加されると、それに応じて変形する。
The
なお、入力部２４ａ〜２４ｄに力が印加されていない状態では、柱２５ａ〜２５ｅのそれぞれの上面と、突起部２７ａ〜２７ｄのそれぞれの上面とは、同一平面上に位置している。
When no force is applied to the
起歪体２０において、土台２１、柱２２ａ〜２２ｄ、柱２８、梁２３ａ〜２３ｄ、入力部２４ａ〜２４ｄ、柱２５ａ〜２５ｅ、梁２６ａ〜２６ｄ、及び突起部２７ａ〜２７ｄの各部位は、剛性を確保しかつ精度良く作製する観点から、一体に形成されていることが好ましい。起歪体２０の材料としては、例えば、ＳＵＳ（ステンレス鋼）等の硬質な金属材料を用いることができる。中でも、特に硬質で機械的強度の高いＳＵＳ６３０を用いることが好ましい。
In the
このように、センサチップ１１０と同様に、起歪体２０も柱と梁とを備えた構造とすることで、印加される力によって６軸それぞれで異なる変形を示すため、６軸の分離性が良い変形をセンサチップ１１０に伝えることができる。
In this way, like the
すなわち、起歪体２０の入力部２４ａ〜２４ｄに印加された力を、柱２２ａ〜２２ｄ、梁２３ａ〜２３ｄ、及び梁２６ａ〜２６ｄを介してセンサチップ１１０に伝達し、センサチップ１１０で変位を検知する。そして、センサチップ１１０において、１つの軸につき１個ずつ形成されたブリッジ回路から各軸の出力を得ることができる。
That is, the force applied to the
（力覚センサ装置１の製造工程）
図１０〜図１２は、力覚センサ装置１の製造工程を例示する図である。まず、図１０（ａ）に示すように、起歪体２０を作製する。起歪体２０は、例えば、成形や切削、ワイヤ放電等により一体に形成することができる。起歪体２０の材料としては、例えば、ＳＵＳ（ステンレス鋼）等の硬質な金属材料を用いることができる。中でも、特に硬質で機械的強度の高いＳＵＳ６３０を用いることが好ましい。起歪体２０を成形により作製する場合には、例えば、金属粒子とバインダーとなる樹脂とを金型に入れて成形し、その後、焼結して樹脂を蒸発させることで、金属からなる起歪体２０を作製できる。
(Manufacturing process of force sensor device 1)
10 to 12 are diagrams illustrating a manufacturing process of the
次に、図１０（ｂ）に示す工程では、柱２５ａ〜２５ｅの上面、及び突起部２７ａ〜２７ｄの上面に接着剤４１を塗布する。接着剤４１としては、例えば、エポキシ系の接着剤等を用いることができる。外部から印加される力に対する耐力の点から、接着剤４１はヤング率１ＧＰａ以上で厚さ２０μｍ以下であることが好ましい。
Next, in the step shown in FIG. 10B, the adhesive 41 is applied to the upper surfaces of the
次に、図１１（ａ）に示す工程では、センサチップ１１０を作製する。センサチップ１１０は、例えば、ＳＯＩ基板を準備し、準備した基板にエッチング加工（例えば、反応性イオンエッチング等）等を施す周知の方法により作製できる。また、電極や配線は、例えば、基板の表面にスパッタ法等によりアルミニウム等の金属膜を成膜後、金属膜をフォトリソグラフィによってパターニングすることにより作製できる。
Next, in the step shown in FIG. 11A, the
次に、図１１（ｂ）に示す工程では、センサチップ１１０の下面が柱２５ａ〜２５ｅの上面、及び突起部２７ａ〜２７ｄの上面に塗布された接着剤４１と接するように、センサチップ１１０を起歪体２０内に加圧しながら配置する。そして、接着剤４１を所定温度に加熱して硬化させる。これにより、センサチップ１１０が起歪体２０内に固定される。具体的には、センサチップ１１０の支持部１１１ａ〜１１１ｄが各々柱２５ａ〜２５ｅ上に固定され、支持部１１１ｅが柱２５ｅ上に固定され、力点１１４ａ〜１１４ｄが各々突起部２７ａ〜２７ｄ上に固定される。
Next, in the step shown in FIG. 11B, the
次に、図１２（ａ）に示す工程では、柱２２ａ〜２２ｄの上面に、接着剤４２を塗布する。接着剤４２としては、例えば、エポキシ系の接着剤等を用いることができる。なお、接着剤４２は、入出力基板３０を起歪体２０上に固定するためのものであり、外部から力が印加されないため、汎用の接着剤を用いることができる。
Next, in the step shown in FIG. 12A, the adhesive 42 is applied to the upper surfaces of the
次に、図１２（ｂ）に示す工程では、能動部品３２〜３５及び受動部品３９が実装された入出力基板３０を準備し、入出力基板３０の下面が柱２２ａ〜２２ｄの上面に塗布された接着剤４２と接するように、入出力基板３０を起歪体２０上に配置する。そして、入出力基板３０を起歪体２０側に加圧しながら接着剤４２を所定温度に加熱して硬化させる。これにより、入出力基板３０が起歪体２０に固定される。
Next, in the step shown in FIG. 12B, the input /
なお、入出力基板３０は、センサチップ１１０及び入力部２４ａ〜２４ｄを露出するように起歪体２０に固定される。入出力基板３０の各電極３１は、入力部２４ａ〜２４ｄに力が印加された際の歪みが最も少ない、起歪体２０の柱２２ａ〜２２ｄ上に配置することが好ましい。
The input /
その後、入出力基板３０の起歪体２０から水平方向にはみ出した部分（入力端子側を除く）を、起歪体２０の各側面側に折り曲げる。そして、入出力基板３０とセンサチップ１１０の対応する部分をボンディングワイヤ等（図示せず）により電気的に接続する。これにより、力覚センサ装置１が完成する。
After that, the portion (excluding the input terminal side) protruding in the horizontal direction from the
このように、力覚センサ装置１は、センサチップ１１０、起歪体２０、及び入出力基板３０の３部品のみで作製できるため、組み立てが容易であり、かつ位置合わせ箇所も最低限で済むため、実装起因による精度の劣化を抑制できる。
As described above, since the
また、起歪体２０において、センサチップ１１０との接続箇所（柱２５ａ〜２５ｅの上面、及び突起部２７ａ〜２７ｄの上面）は全て同一平面にあるため、起歪体２０に対するセンサチップ１１０の位置合わせが１回で済み、起歪体２０にセンサチップ１１０を実装することが容易である。
Further, in the
（検知用梁の形状の詳細）
図１３は、本実施の形態に係るセンサチップの一例の要部を拡大した平面図である。図３及び図６に示される検知用梁１１３ａ、１１３ｄ、１１３ｇ、１１３ｊをまとめて検知用梁１１３ｍで示している。検知用梁１１３ｂ、１１３ｅ、１１３ｈ、１１３ｋをまとめて検知用梁１１３ｎで示している。検知用梁１１３ｃ、１１３ｆ、１１３ｉ、１１３ｌをまとめて検知用梁１１３ｏで示している。補強用梁１１２ｅ、１１２ｆ、１１２ｇ、１１２ｈをまとめて補強用梁１１２ｉで示している。また、ピエゾ抵抗素子ＭｚＲ１、ＭｚＲ２、ＭｚＲ３、ＭｚＲ４、ＭｚＲ１'、ＭｚＲ２'、ＭｚＲ３'、ＭｚＲ４'を代表してＭｚＲ１、ＭｚＲ２で示している。
(Details of the shape of the detection beam)
FIG. 13 is an enlarged plan view of a main part of an example of the sensor chip according to the present embodiment. The
図１３に示されるセンサチップにおいて、検知用梁１１３ｎは、直線部１１３ｎ１と、連結部により直線部１１３ｎ１に連結される傾斜部１１３ｎ２、１１３ｎ３とを有する。直線部１１３ｎ１と傾斜部１１３ｎ２の境界、及び直線部１１３ｎ１と傾斜部１１３ｎ３の境界が、それぞれ連結部である。直線部１１３ｎ１は検知用梁１１３ｎの梁幅が略一定の部分である。傾斜部１１３ｎ２、１１３ｎ３は、検知用梁１１３ｎの端部もしくは検知用梁１１３ｏに接続する部分に設けられた部であり、傾斜部１１３ｎ２、１１３ｎ３の梁幅は連結部から遠ざかるにつれて徐々に太くなる。ピエゾ抵抗素子ＦｚＲ１、ＦｚＲ２は、上記の構成の検知用梁１１３ｎにおいて、連結部より傾斜部１１３ｎ２、１１３ｎ３側に配置されている。即ち、ピエゾ抵抗素子ＦｚＲ１、ＦｚＲ２は、検知用梁１１３ｎの直線部１１３ｎ１上ではなく、傾斜部１１３ｎ２、１１３ｎ３の内部に配置されているといえる。また、ピエゾ抵抗素子ＦｚＲ１については、ピエゾ抵抗素子ＦｚＲ１の一部が補強用梁１１２ｉにかかるように形成されている。
In the sensor chip shown in FIG. 13, the
上記の本実施の形態のセンサチップにおいて、Ｚ軸方向の力（Ｆｚ）が入力されたとき、検知用梁１１３ｎにおいて発生する応力は、検知用梁１１３ｎの傾斜部１１３ｎ２、１１３ｎ３とその近傍で大きくなる。従って、この傾斜部１１３ｎ２、１１３ｎ３に配置されたピエゾ抵抗素子ＦｚＲ１及びＦｚＲ２は、Ｚ軸方向の力（Ｆｚ）に対して高感度となる。ここで、ピエゾ抵抗素子ＦｚＲ１については、ピエゾ抵抗素子ＦｚＲ１の一部が補強用梁１１２ｉにかかるように形成されている。Ｆｚはセンサの厚さ方向であるＺ軸方向に印加される力であり、補強用梁１１２ｉの近傍ではＦｚ入力時の応力が大きくなる。従って、ピエゾ抵抗素子ＦｚＲ１については、ピエゾ抵抗素子ＦｚＲ１の一部が補強用梁１１２ｉにかかるように配置することが好ましい。
In the sensor chip of the present embodiment described above, when a force (Fz) in the Z-axis direction is input, the stress generated in the
一方、センサチップにＸ軸方向の力（Ｆｘ）が入力されたときに、応力は、直線部１１３ｎ１と傾斜部１１３ｎ２、１１３ｎ３の境界である連結部の近傍で大きくなるが、ピエゾ抵抗素子ＦｚＲ１及びＦｚＲ２が形成されている、検知用梁１１３ｎの傾斜部１１３ｎ２、１１３ｎ３の内部には、応力はほとんど発生しない。
On the other hand, when a force (Fx) in the X-axis direction is input to the sensor chip, the stress increases in the vicinity of the connecting portion which is the boundary between the straight portion 113n1 and the inclined portions 113n2 and 113n3, but the piezo resistance element FzR1 and Almost no stress is generated inside the inclined portions 113n2 and 113n3 of the
本実施の形態のセンサチップによれば、Ｚ軸方向の力（Ｆｚ）と、Ｘ軸方向の力（Ｆｘ）の軸分離性が高められる。センサチップの複合入力に対する軸分離性を向上させて、センサ精度を改善することができる。 According to the sensor chip of the present embodiment, the axial separability of the force (Fz) in the Z-axis direction and the force (Fx) in the X-axis direction is enhanced. The axis separability of the sensor chip with respect to the composite input can be improved, and the sensor accuracy can be improved.
図１４は、本実施の形態に係るセンサチップの他の一例の要部を拡大した平面図である。図３及び図６に示される検知用梁１１３ａ、１１３ｄ、１１３ｇ、１１３ｊをまとめて検知用梁１１３ｍで示している。検知用梁１１３ｂ、１１３ｅ、１１３ｈ、１１３ｋをまとめて検知用梁１１３ｎで示している。検知用梁１１３ｃ、１１３ｆ、１１３ｉ、１１３ｌをまとめて検知用梁１１３ｏで示している。また、ピエゾ抵抗素子ＭｘＲ１、ＭｘＲ２、ＭｘＲ３、ＭｘＲ４、ＭｙＲ１、ＭｙＲ２、ＭｙＲ３、ＭｙＲ４を代表してＭｘｙＲ１で示している。ここで、ＭｘｙＲ１は、長手方向がＸ軸方向である検知用梁１１３ａ、１１３ｇに形成されているときはＭｘＲ１、ＭｘＲ２、ＭｘＲ３、ＭｘＲ４に対応し、長手方向がＹ軸方向である検知用梁１１３ｄ、１１３ｊに形成されているときはＭｙＲ１、ＭｙＲ２、ＭｙＲ３、ＭｙＲ４に対応する。
FIG. 14 is an enlarged plan view of a main part of another example of the sensor chip according to the present embodiment. The
図１４に示されるセンサチップにおいて、検知用梁１１３ｍは、直線部１１３ｍ１と、連結部により直線部１１３ｍ１に連結される傾斜部１１３ｍ２、１１３ｍ３とを有する。直線部１１３ｍ１と傾斜部１１３ｍ２の境界、及び直線部１１３ｍ１と傾斜部１１３ｍ３の境界が、それぞれ連結部である。直線部１１３ｍ１は検知用梁１１３ｍの梁幅が略一定の部分である。傾斜部１１３ｍ２、１１３ｍ３は、検知用梁１１３ｍの端部もしくは検知用梁１１３ｏに接続する部分に設けられた部であり、傾斜部１１３ｍ２、１１３ｍ３の梁幅は連結部から遠ざかるにつれて徐々に太くなる。ピエゾ抵抗素子ＭｘｙＲ１は、上記の構成の検知用梁１１３ｍにおいて、連結部より傾斜部１１３ｍ２側に配置されている。即ち、ピエゾ抵抗素子ＭｘｙＲ１は、検知用梁１１３ｍの直線部１１３ｍ１上ではなく、傾斜部１１３ｍ２の内部に配置されているといえる。
In the sensor chip shown in FIG. 14, the
上記の本実施の形態のセンサチップにおいて、Ｘ軸方向のモーメント（Ｍｘ）あるいはＹ軸方向のモーメント（Ｍｙ）が入力されたとき、検知用梁１１３ｍにおいて発生する応力は、検知用梁１１３ｍの傾斜部１１３ｍ２とその近傍で大きくなる。従って、この傾斜部１１３ｍ２に配置されたピエゾ抵抗素子ＭｘｙＲ１は、Ｘ軸方向のモーメント（Ｍｘ）あるいはＹ軸方向のモーメント（Ｍｙ）に対して高感度となる。
In the sensor chip of the present embodiment described above, when a moment (Mx) in the X-axis direction or a moment (My) in the Y-axis direction is input, the stress generated in the
一方、センサチップにＸ軸方向の力（Ｆｘ）が入力されたときに、応力は、直線部１１３ｍ１と傾斜部１１３ｍ２、１１３ｍ３の境界である連結部の近傍で大きくなるが、ピエゾ抵抗素子ＭｘｙＲ１が形成されている、検知用梁１１３ｍの傾斜部１１３ｍ２の内部には、応力はほとんど発生しない。
On the other hand, when a force (Fx) in the X-axis direction is input to the sensor chip, the stress increases near the connecting portion which is the boundary between the straight portion 113m1 and the inclined portions 113m2 and 113m3, but the piezo resistance element MxyR1 increases. Almost no stress is generated inside the inclined portion 113m2 of the
本実施の形態のセンサチップによれば、Ｚ軸方向の力（Ｆｚ）と、Ｘ軸方向のモーメント（Ｍｘ）とＹ軸方向のモーメント（Ｍｙ）の軸分離性が高められる。センサチップの複合入力に対する軸分離性を向上させて、センサ精度を改善することができる。 According to the sensor chip of the present embodiment, the axial separability of the force (Fz) in the Z-axis direction, the moment (Mx) in the X-axis direction, and the moment (My) in the Y-axis direction is enhanced. The axis separability of the sensor chip with respect to the composite input can be improved, and the sensor accuracy can be improved.
図１３に示される、検知用梁１１３ｎが、直線部１１３ｎ１と、連結部により直線部１１３ｎ１に連結される傾斜部１１３ｎ２、１１３ｎ３とを有し、ピエゾ抵抗素子ＦｚＲ１、ＦｚＲ２が連結部より傾斜部１１３ｎ２、１１３ｎ３側に配置されている構成と、図１４に示される、検知用梁１１３ｍが、直線部１１３ｍ１と、連結部により直線部１１３ｍ１に連結される傾斜部１１３ｍ２、１１３ｍ３とを有し、ピエゾ抵抗素子ＭｘｙＲ１が連結部より傾斜部１１３ｍ２側に配置されている構成は、いずれか一方でもよいが、両方同時に実現することも可能である。
The
図１５（ａ）及び（ｂ）は、本実施の形態に係るセンサチップの他の一例の要部を拡大した平面図である。図３及び図６に示される検知用梁１１３ａ、１１３ｄ、１１３ｇ、１１３ｊに対応する梁をまとめて検知用梁１１３ｍで示している。検知用梁１１３ｂ、１１３ｅ、１１３ｈ、１１３ｋに対応する梁をまとめて検知用梁１１３ｎで示している。検知用梁１１３ｃ、１１３ｆ、１１３ｉ、１１３ｌに対応する梁をまとめて検知用梁１１３ｏで示している。
15 (a) and 15 (b) are enlarged plan views of a main part of another example of the sensor chip according to the present embodiment. The beams corresponding to the
本実施の形態のセンサチップにおいて、検知用梁１１３ｎの直線部１１３ｎ１の梁幅を第１梁幅Ｗ１、傾斜部１１３ｎ３の最も梁幅が広くなった部分の梁幅を第２梁幅Ｗ２としたとき、第１梁幅Ｗ１／第２梁幅Ｗ２は０．５以下であることが好ましい。これにより、傾斜部の内部にＦｚのピエゾ抵抗素子を設けることで、Ｆｘ入力時の応力の発生個所からＦｚのピエゾ抵抗素子を十分に遠ざけ、ＦｘとＦｚの軸分離性を高めることができる。例えば、第１梁幅Ｗ１は３０μｍ〜５０μｍ程度であり、第２梁幅Ｗ２は７５μｍ〜１００μｍ程度である。
In the sensor chip of the present embodiment, the beam width of the straight portion 113n1 of the
また、検知用梁１１３ｎの長手方向における、直線部１１３ｎ１の長さＬ１、傾斜部１１３ｎ３長さＬ２について、例えば、Ｌ１は１４０〜２６５μｍであり、Ｌ２は１００〜１５０μｍ程度である。
Further, regarding the length L1 of the straight portion 113n1 and the length L2 of the inclined portion 113n3 in the longitudinal direction of the
図１５（ｂ）は検知用梁１１３ｎ部分を拡大した平面図である。検知用梁１１３ｎの短手方向のテーパー部分の長さＡと、検知用梁１１３ｎの長手方向のテーパー部分の長さＢについて、Ａ：Ｂ＝１：８．５〜１：１０．５の式を満たすＡ及びＢの値を有するテーパー形状であることが好ましい。テーパー角度が足らないとＦｘ入力時の応力の発生個所からＦｚのピエゾ抵抗素子を十分に遠ざけることができない可能性がある。テーパー角度が過度であると、検知用梁の梁幅が狭められた箇所の機械的強度が低下する可能性がある。
FIG. 15B is an enlarged plan view of the
図１３及び図１４に示されるセンサチップでは、検知用梁１１３ｍの短手方向の両側部において凹形状１１３ｐが設けられて、検知用梁１１３ｍの梁幅が狭められた箇所を有しているが、これに限らず、図６及び図１５に示されるように、検知用梁１１３ｍの梁幅が徐々に狭まるテーパー形状を有していてもよい。
In the sensor chips shown in FIGS. 13 and 14,
（第１実施例）
図１６は、実施の形態に係るセンサチップの一例の要部を拡大した平面図であり、図１７及び図１８に示す応力シミュレーションを行うセンサチップの平面図である。図１３に示される本実施の形態に係るセンサチップと同様に、図３及び図６に示される検知用梁１１３ａ、１１３ｄ、１１３ｇ、１１３ｊをまとめて検知用梁１１３ｍで示している。検知用梁１１３ｂ、１１３ｅ、１１３ｈ、１１３ｋをまとめて検知用梁１１３ｎで示している。検知用梁１１３ｃ、１１３ｆ、１１３ｉ、１１３ｌをまとめて検知用梁１１３ｏで示している。また、ピエゾ抵抗素子ＭｚＲ１、ＭｚＲ２、ＭｚＲ３、ＭｚＲ４、ＭｚＲ１'、ＭｚＲ２'、ＭｚＲ３'、ＭｚＲ４'を代表してＭｚＲ１、ＭｚＲ２で示している。
(First Example)
FIG. 16 is an enlarged plan view of a main part of an example of the sensor chip according to the embodiment, and is a plan view of the sensor chip for performing stress simulation shown in FIGS. 17 and 18. Similar to the sensor chip according to the present embodiment shown in FIG. 13, the
検知用梁１１３ｎは、直線部１１３ｎ１と、連結部により直線部１１３ｎ１に連結される傾斜部１１３ｎ２、１１３ｎ３とを有する。ピエゾ抵抗素子ＦｚＲ１、ＦｚＲ２は、上記の構成の検知用梁１１３ｎにおいて、連結部より傾斜部１１３ｎ２、１１３ｎ３側に配置されている。即ち、ピエゾ抵抗素子ＦｚＲ１、ＦｚＲ２は、検知用梁１１３ｎの直線部１１３ｎ１上ではなく、傾斜部１１３ｎ２、１１３ｎ３の内部に配置されている。ピエゾ抵抗素子ＦｚＲ１については、ピエゾ抵抗素子ＦｚＲ１の一部が補強用梁１１２ｉにかかるように形成されている。図１６のセンサチップでは、検知用梁１１３ｍは、支持部と連結される位置と力点と連結される位置の間に梁幅が狭くなった箇所は形成されていない。
The
図１７は図１６に示される本実施の形態のセンサチップにＸ軸方向の力（Ｆｘ）を印加したときの応力をシミュレーションにより算出した結果を示す図（応力コンター図）である。引っ張りまたは圧縮の応力が局所的に極大となっている箇所に『＋』及び『−』に記号を付し、『＋』に向けてグラデーション濃度が濃くなるほど、あるいは『−』に向けてグラデーション濃度が薄くなるほど、引っ張りまたは圧縮の応力が大きくなることを示している。センサチップにＸ軸方向の力（Ｆｘ）が入力されたときに、応力は、直線部１１３ｎ１と傾斜部１１３ｎ２、１１３ｎ３の境界である連結部の近傍で大きくなるが、ピエゾ抵抗素子ＦｚＲ１及びＦｚＲ２が形成されている、検知用梁１１３ｎの傾斜部１１３ｎ２、１１３ｎ３の内部には、応力はほとんど発生しない。
FIG. 17 is a diagram (stress contour diagram) showing the result of calculating the stress when a force (Fx) in the X-axis direction is applied to the sensor chip of the present embodiment shown in FIG. 16 by simulation. Add symbols to "+" and "-" where the tensile or compressive stress is locally maximized, and the gradation density becomes darker toward "+" or toward "-". It is shown that the thinner the is, the greater the tensile or compressive stress is. When a force (Fx) in the X-axis direction is input to the sensor chip, the stress increases near the connecting portion that is the boundary between the straight portion 113n1 and the inclined portions 113n2 and 113n3, but the piezo resistance elements FzR1 and FzR2 increase. Almost no stress is generated inside the inclined portions 113n2 and 113n3 of the
図１８は図１６に示される本実施の形態のセンサチップにＺ軸方向の力（Ｆｚ）を印加したときの応力をシミュレーションにより算出した結果を示す図（応力コンター図）である。センサチップにＺ軸方向の力（Ｆｚ）が入力されたとき、検知用梁１１３ｎにおいて発生する応力は、検知用梁１１３ｎの傾斜部１１３ｎ２、１１３ｎ３とその近傍で大きくなる。従って、この傾斜部１１３ｎ２、１１３ｎ３に配置されたピエゾ抵抗素子ＦｚＲ１及びＦｚＲ２は、Ｚ軸方向の力（Ｆｚ）に対して高感度となる。
FIG. 18 is a diagram (stress contour diagram) showing the result of calculating the stress when a force (Fz) in the Z-axis direction is applied to the sensor chip of the present embodiment shown in FIG. 16 by simulation. When a force (Fz) in the Z-axis direction is input to the sensor chip, the stress generated in the
図１９は、参考例に係るセンサチップの要部を拡大した平面図であり、図２０及び図２１に示す応力シミュレーションを行うセンサチップの平面図である。図１６に示される本実施の形態に係るセンサチップと異なり、ピエゾ抵抗素子ＦｚＲ１、ＦｚＲ２は、直線部１１３ｎ１と傾斜部１１３ｎ２、１１３ｎ３との連結部の近傍に、直線部１１３ｎ１上から傾斜部１１３ｎ２、１１３ｎ３に跨るように配置されている。 FIG. 19 is an enlarged plan view of a main part of the sensor chip according to the reference example, and is a plan view of the sensor chip for performing the stress simulation shown in FIGS. 20 and 21. Unlike the sensor chip according to the present embodiment shown in FIG. 16, the piezo resistance elements FzR1 and FzR2 have the inclined portions 113n2 from above the straight portion 113n1 in the vicinity of the connecting portion between the straight portion 113n1 and the inclined portions 113n2 and 113n3. It is arranged so as to straddle 113n3.
図２０は図１９に示される本実施の形態のセンサチップにＸ軸方向の力（Ｆｘ）を印加したときの応力をシミュレーションにより算出した結果を示す図（応力コンター図）である。センサチップにＸ軸方向の力（Ｆｘ）が入力されたときに、応力は、直線部１１３ｎ１と傾斜部１１３ｎ２、１１３ｎ３の境界である連結部の近傍で大きくなる。連結部の近傍に配置されたピエゾ抵抗素子ＦｚＲ１、ＦｚＲ２は、Ｆｘ入力に対して感度を有しており、軸分離性が低くなる。 FIG. 20 is a diagram (stress contour diagram) showing the result of calculating the stress when a force (Fx) in the X-axis direction is applied to the sensor chip of the present embodiment shown in FIG. 19 by simulation. When a force (Fx) in the X-axis direction is input to the sensor chip, the stress increases in the vicinity of the connecting portion which is the boundary between the straight portion 113n1 and the inclined portions 113n2 and 113n3. The piezo resistance elements FzR1 and FzR2 arranged in the vicinity of the connecting portion have sensitivity to the Fx input, and the shaft separability is lowered.
図２１は図１９に示される本実施の形態のセンサチップにＺ軸方向の力（Ｆｚ）を印加したときの応力をシミュレーションにより算出した結果を示す図（応力コンター図）である。センサチップにＺ軸方向の力（Ｆｚ）が入力されたとき、検知用梁１１３ｎにおいて発生する応力は、直線部１１３ｎ１と傾斜部１１３ｎ２、１１３ｎ３との連結部の近傍で大きくなる。連結部の近傍に配置されたピエゾ抵抗素子ＦｚＲ１及びＦｚＲ２は、Ｚ軸方向の力（Ｆｚ）に対して高感度となる。
FIG. 21 is a diagram (stress contour diagram) showing the result of calculating the stress when a force (Fz) in the Z-axis direction is applied to the sensor chip of the present embodiment shown in FIG. 19 by simulation. When a force (Fz) in the Z-axis direction is input to the sensor chip, the stress generated in the
本実施の形態のセンサチップによれば、参考例に対して、Ｚ軸方向の力（Ｆｚ）とＸ軸方向の力（Ｆｘ）との軸分離性が高められることが確認された。 According to the sensor chip of the present embodiment, it was confirmed that the axial separability between the force in the Z-axis direction (Fz) and the force in the X-axis direction (Fx) is enhanced as compared with the reference example.
（第２実施例）
図２２は参考例に係るセンサチップに対する他軸成分のシミュレーションについて説明する図である。参考例に係るセンサチップは、図１５に示されるセンサチップと同様であり、検知用梁１１３ｍには、支持部と連結される位置と力点と連結される位置の間に梁幅が狭くなった箇所が形成されていない。さらに、Ｍｚを検出するためのピエゾ抵抗素子は、検知用梁１１３ｍと支持部が連結される位置の近傍における検知用梁１１３ｍの上に形成されている。図２３は、参考例に係るセンサチップに、単軸方向、２軸の複合入力、３軸の複合入力、４軸の複合入力、５軸の複合入力、６軸の複合入力を行ったときの、Ｆｘ入力とＦｘ出力の誤差（Ｎ）、Ｆｙ入力とＦｙ出力の誤差（Ｎ）、Ｆｚ入力とＦｚ出力の誤差（Ｎ）、Ｍｘ入力とＭｘ出力の誤差（Ｎ・ｍ）、Ｍｙ入力とＭｙ出力の誤差（Ｎ・ｍ）、Ｍｚ入力とＭｚ出力の誤差（Ｎ・ｍ）をシミュレーションにより求めた結果を示す図である。ここでは、Ｆｘ出力の誤差（Ｎ）、Ｆｙ出力の誤差（Ｎ）、Ｆｚ出力の誤差（Ｎ）をＦ系として、平均値（Ａｖｇ．）と最大値（Ｍａｘ．）を算出した。また、Ｍｘ出力の誤差（Ｎ・ｍ）、Ｍｙ出力の誤差（Ｎ・ｍ）、Ｍｚ出力の誤差（Ｎ・ｍ）をＭ系として、平均値（Ａｖｇ．）と最大値（Ｍａｘ．）を算出した。
(Second Example)
FIG. 22 is a diagram illustrating a simulation of other axis components with respect to the sensor chip according to the reference example. The sensor chip according to the reference example is the same as the sensor chip shown in FIG. 15, and the
図２２に示されるように、参考例に係るセンサチップでは、Ｆ系の平均値（Ａｖｇ．）は単軸から６軸複合まで誤差は５％以下であったが、Ｆ系の最大値（Ｍａｘ．）は３〜６軸複合で誤差は５％を超えていた。Ｍ系の平均値（Ａｖｇ．）は５〜６軸複合で誤差は５％を超えていた。Ｍ系の最大値（Ｍａｘ．）は５〜６軸複合で誤差は５％を超えていた。 As shown in FIG. 22, in the sensor chip according to the reference example, the average value (Avg.) Of the F system had an error of 5% or less from the single axis to the 6-axis composite, but the maximum value (Max) of the F system. ) Is a combination of 3 to 6 axes, and the error exceeds 5%. The average value (Avg.) Of the M system was a combination of 5 to 6 axes, and the error exceeded 5%. The maximum value (Max.) Of the M system was a combination of 5 to 6 axes, and the error exceeded 5%.
図２３は本実施の形態の一例に係るセンサチップに対する他軸成分のシミュレーションについて説明する図である。本実施の形態の一例に係るセンサチップは、図６に示されるセンサチップと同様である。図２３に示されるように、本実施の形態の一例に係るセンサチップでは、Ｆ系の平均値（Ａｖｇ．）及び最大値（Ｍａｘ．）は単軸から６軸複合まで誤差は５％以下であった。また、Ｍ系の平均値（Ａｖｇ．）及び最大値（Ｍａｘ．）も単軸から６軸複合まで誤差は５％以下であった。図２２に示される参考例に係るセンサチップに対する他軸成分のシミュレーションから、軸分離性が大きく改善できていることが確認された。 FIG. 23 is a diagram illustrating a simulation of other axis components with respect to the sensor chip according to an example of the present embodiment. The sensor chip according to an example of this embodiment is the same as the sensor chip shown in FIG. As shown in FIG. 23, in the sensor chip according to the example of the present embodiment, the average value (Avg.) And the maximum value (Max.) Of the F system are from a single axis to a 6-axis composite with an error of 5% or less. there were. In addition, the error of the average value (Avg.) And the maximum value (Max.) Of the M system from the single axis to the 6-axis composite was 5% or less. From the simulation of the other axis components with respect to the sensor chip according to the reference example shown in FIG. 22, it was confirmed that the axis separability was greatly improved.
以上、好ましい実施の形態について詳説したが、上述した実施の形態に制限されることはなく、特許請求の範囲に記載された範囲を逸脱することなく、上述した実施の形態に種々の変形及び置換を加えることができる。 Although the preferred embodiment has been described in detail above, it is not limited to the above-described embodiment, and various modifications and substitutions are made to the above-described embodiment without departing from the scope of the claims. Can be added.
１ 力覚センサ装置
２０ 起歪体
２１ 土台
２２ａ〜２２ｄ、２５ａ〜２５ｄ、２８ 柱
２３ａ〜２３ｄ、２６ａ〜２６ｄ 梁
２４ａ〜２４ｄ 入力部
２７ａ〜２７ｄ 突起部
３０ 入出力基板
３１ 電極
３２〜３５ 能動部品
３９ 受動部品
４０ 受力板
４０ｘ、４０ｚ 凹部
４０ｙ 貫通孔
４１、４２ 接着剤
１１０ センサチップ
１１１ａ〜１１１ｅ 支持部
１１２ａ〜１１２ｉ 補強用梁
１１３ａ〜１１３ｏ 検知用梁
１１３ｐ 凹形状
１１３ｎ１ 直線部
１１３ｎ２、１１３ｎ３ 傾斜部
１１４ａ〜１１４ｄ 力点
ＦｚＲ１〜ＦｚＲ４、ＦｚＲ１'〜ＦｚＲ４、ＭｚＲ１〜ＭｚＲ４、ＭｚＲ１'〜ＭｚＲ４'、ＦｘＲ１〜ＦｘＲ４、ＦｙＲ１〜ＦｙＲ４、ＭｘＲ１〜ＭｘＲ４、ＭｙＲ１〜ＭｙＲ４、ＭｘｙＲ１ ピエゾ抵抗素子
1
Claims (10)
第１の支持部と、
周囲に前記第１の支持部が配置され、前記基板の中央に配置された第２の支持部と、
隣接する前記第１の支持部同士を連結する第１の検知用梁と、
前記第１の検知用梁に配置された、力が印加される力点と、
前記第１の検知用梁の所定位置に配置された複数の歪検出素子と、を有し、
前記第１の検知用梁は、直線部と、連結部により前記直線部に連結される傾斜部とを有し、
複数の前記歪検出素子は、前記連結部より前記傾斜部側に配置されている第１歪検出素子を含む
センサチップ。 With the board
The first support and
The first support portion is arranged around the substrate, and the second support portion arranged in the center of the substrate and the second support portion are arranged.
A first detection beam that connects the adjacent first support portions to each other,
A force point to which a force is applied, which is arranged on the first detection beam, and a force point to which a force is applied,
It has a plurality of strain detection elements arranged at predetermined positions of the first detection beam, and has.
The first detection beam has a straight portion and an inclined portion connected to the straight portion by a connecting portion.
The plurality of strain detecting elements are sensor chips including a first strain detecting element arranged on the inclined portion side of the connecting portion.
前記第２の検知用梁は、所定位置に配置された複数の歪検出素子と、直線部と、連結部により前記直線部に連結される傾斜部とを有し、
複数の前記歪検出素子は、前記連結部より前記傾斜部側に配置されている第２歪検出素子を含む
請求項１に記載のセンサチップ。 A second detection beam provided parallel to the first detection beam is provided between the first detection beam and the second support portion.
The second detection beam has a plurality of strain detecting elements arranged at predetermined positions, a straight line portion, and an inclined portion connected to the straight line portion by a connecting portion.
The sensor chip according to claim 1, wherein the plurality of strain detecting elements include a second strain detecting element arranged on the inclined portion side of the connecting portion.
前記力点は、第１の検知用梁と第３の検知用梁との交点に配置されている
請求項２に記載のセンサチップ。 In the set of the first detection beam and the second detection beam provided in parallel, the third detection beam connecting the first detection beam and the second detection beam , Prepare,
The sensor chip according to claim 2, wherein the force point is arranged at an intersection of the first detection beam and the third detection beam.
請求項１に記載のセンサチップ。 The sensor chip according to claim 1, wherein the inclined portion is a portion provided at an end portion of the first detection beam, and the beam width of the inclined portion gradually increases as the distance from the connecting portion increases.
請求項３に記載のセンサチップ。 The inclined portion is a portion provided at an end portion of the first detection beam or the second detection beam or a portion connected to the third detection beam, and the beam width of the inclined portion is The sensor chip according to claim 3, wherein the sensor chip gradually becomes thicker as the distance from the connecting portion increases.
前記第１歪検出素子は、Ｚ軸方向の力を検出可能であり、前記第２の検知用梁に形成されている
請求項２に記載のセンサチップ。 When the thickness direction of the substrate is the Z-axis direction,
The sensor chip according to claim 2, wherein the first strain detecting element can detect a force in the Z-axis direction and is formed on the second detection beam.
前記第１歪検出素子は、Ｚ軸と垂直な軸を回転する方向の力を検出可能であり、前記第１の検知用梁に形成されている
請求項１乃至５のいずれか１項に記載のセンサチップ。 When the thickness direction of the substrate is the Z-axis direction,
The first strain detecting element can detect a force in a direction rotating an axis perpendicular to the Z axis, and is described in any one of claims 1 to 5 formed on the first detection beam. Sensor chip.
請求項１乃至７のいずれか１項に記載のセンサチップ。 When the beam width of the straight portion is the first beam width and the beam width of the portion of the inclined portion where the beam width is the widest is the second beam width, the first beam width / the second beam width is 0. The sensor chip according to any one of claims 1 to 7, which is 5 or less.
前記第１の支持部と前記第２の支持部とを連結する第２の補強用梁と、を有し、
前記第２の補強用梁は、前記第１の補強用梁と非平行に配置され、
前記第１の補強用梁及び前記第２の補強用梁は、前記第１の検知用梁、前記第２の検知用梁、及び前記第３の検知用梁よりも厚く形成され、
前記第２の検知用梁は、隣接する前記第２の補強用梁の前記第２の支持部側の端部同士を連結している
請求項３に記載のセンサチップ。 A first reinforcing beam provided on the outside of the first detection beam in parallel with the first detection beam to connect the adjacent first support portions to each other.
It has a second reinforcing beam that connects the first support portion and the second support portion.
The second reinforcing beam is arranged non-parallel to the first reinforcing beam.
The first reinforcing beam and the second reinforcing beam are formed to be thicker than the first detection beam, the second detection beam, and the third detection beam.
The sensor chip according to claim 3, wherein the second detection beam connects the ends of the adjacent second reinforcing beams on the second support side.
印加された力を前記センサチップに伝達する起歪体と、を有する
力覚センサ装置。 The sensor chip according to any one of claims 1 to 9,
A force sensor device having a strain-causing body that transmits an applied force to the sensor chip.
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